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弹性力学仿真软件：MSC Nastran：复合材料结构分析技术

教程

1 弹性力学仿真软件：MSC Nastran：复合材料结构分析

1.1 MSC_Nastran 软件概述

MSC_Nastran, 作为一款先进的多学科仿真软件，由 MSC Software 公司开发，

广泛应用于航空航天、汽车、船舶、能源等领域的结构分析、动力学分析、优

化设计等。其核心优势在于能够处理复杂结构的线性和非线性问题，提供精确

的仿真结果。在复合材料结构分析方面，MSC_Nastran 提供了专门的模块和工

具，能够模拟复合材料的多层、多向异性特性，以及在各种载荷条件下的响应。

1.1.1 复合材料结构分析模块

� 材料定义：用户可以定义复合材料的层合结构，包括各层的材料

属性、厚度、方向等。

� 网格划分：支持复合材料结构的特殊网格划分，确保模型的准确

性。

� 载荷和边界条件：可以施加各种载荷，如压力、拉力、剪切力等，

以及定义边界条件，如固定、铰接等。

� 求解器：MSC_Nastran 提供了多种求解器，包括线性静态、非线

性静态、模态分析等，适用于复合材料结构的多种分析需求。

� 后处理：分析结果可以通过图形化界面进行查看，包括应力、应

变、位移等，帮助工程师理解复合材料结构的行为。

1.2 复合材料结构分析的重要性

复合材料因其轻质、高强度、耐腐蚀等特性，在现代工程设计中占据重要

地位。然而，复合材料的结构分析比传统金属材料更为复杂，因为其性能受制

于材料的层合结构和纤维方向。准确的复合材料结构分析对于确保结构的安全

性、可靠性和优化设计至关重要。

1.2.1 实例：复合材料层合板的静态分析

假设我们有一块由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的层合板，需要分析其在

垂直载荷下的应力分布。层合板由四层 CFRP 组成，每层厚度为 0.2mm，纤维

方向分别为 0°、90°、0°、90°。

1.2.1.1 材料定义

MAT1, 1, EX, 130000., 0.3, 4500.

MAT8, 2, 1, 1, 1, 0.2, 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,

0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.,

0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0

0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.

0,0.0,0.0,0.0,0.0,0

# 模型建立

## 构建复合材料结构模型

在进行复合材料结构分析时，使用 MSC Nastran 建立模型是关键的第一步。复合材料因其

独特的性能，如高比强度和比刚度，以及可设计性，被广泛应用于航空航天、汽车、体育

用品和建筑等多个领域。在 MSC Nastran 中，构建复合材料结构模型涉及定义材料属性、

层压板结构、单元类型和网格划分。

### 材料属性定义

复合材料的材料属性通常包括各向异性，需要定义其在不同方向上的弹性模量、泊松比和

剪切模量。在 Nastran 中，这可以通过`MAT4`或`MAT5`材料卡来实现。

#### 示例：定义复合材料属性

```nastran

$ 定义复合材料属性

MAT4 100

1.0, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.

3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3,

0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.3, 0.